Как турбокомпрессоры будут обеспечивать большую мощность и эффективность в будущем?
Как будеттурбокомпрессоры принесут больше мощности и эффективности в будущем?
Мы знаем, что сегодняшние турбокомпрессоры больше не являются быстро вращающимися деталями, которые так легко ломали двигатели в 1980-х годах. В настоящее время турбины устанавливаются как минимум на каждый четвертый автомобиль в Северной Америке. Они более эффективны, надежны и менее затратны, и многие из наших любимых двигателей пошли на компромисс с турбонаддувом.
По данным производителя турбодвигателей PortoPower, почти половина новых легковых автомобилей в мире будет оснащена турбонаддувом в течение пяти лет, что на 18 миллионов больше, чем текущий рынок, из которого, как ожидается, на Северную Америку будет приходиться 39%.
Внедрение двигателей с наддувом направлено либо на увеличение мощности, либо на улучшение экономии топлива, либо на то и другое. Для турбонаддува путь вперед может заключаться в дальнейшем улучшении характеристик мощности при одновременном обеспечении топливной экономичности и устранении недостатков современных двигателей с турбонаддувом.
Электрические турбины и гибриды
Те, кому не нравятся гибридные силовые агрегаты V6 с турбонаддувом, используемые в настоящее время в автомобилях Формулы-1, через несколько лет будут ездить на автомобилях с аналогичной технологией.
Машина. Электродвигатель постоянного тока, встроенный в вал, соединяющий турбину с компрессором, позволяет турбине вращаться на полной скорости без использования выхлопных газов для ее привода, и это можно сделать почти мгновенно, тем самым сводя задержку турбины почти к нулю.
В результате турбина с приводом от электродвигателя может компенсировать недостаточную характеристику мощности обычного турбодвигателя в диапазоне низких оборотов, где турбина еще не приводилась в действие. Хотя некоторые модели высокого класса в настоящее время оснащены механическими двойными турбонагнетателями, которые также могут достигать этого эффекта, их высокая стоимость и большие требования к пространству делают невозможным популяризацию такой технической конфигурации в обычных автомобилях.
Во-вторых, электропривод позволяет более точно и легко управлять мощностью наддува с помощью программного обеспечения. В то же время электрическая турбина будет использовать энергию избыточных выхлопных газов для регенерации электроэнергии, а не позволять ей обходить турбину, когда она находится под высокой нагрузкой, и тратить ее впустую. Суперконденсатор будет использоваться для хранения этой энергии для привода турбины или других компонентов, использующих электричество, таких как гибридная система, которая может генерировать электричество. Таким образом, результатом использования электрического турбонаддува является более быстрая подача мощности и более эффективная экономия топлива.
Мы уже видели электромеханический наддув в дизельных прототипах Ford Focus и Audi, правда, по несколько иному принципу и не связанный с выхлопной трубой. Однако если на время отвлечься от недоказанной надежности электрического турбонаддува в серийных автомобилях, он сталкивается с той же «большой» проблемой, что и электромеханический наддув: он требует высокого уровня электрической поддержки в качестве источника энергии при работе, а точнее более энергия, которую нужно потреблять.
При пиковой нагрузке для электрического турбонаддува требуется 48 вольт, но производители не проявляют особого интереса к изменению конструкции своих нынешних 12-вольтовых систем. В то же время электрическим турбинам трудно достичь эффективности обычных турбин в условиях высокой нагрузки из-за мощности и ограничений конструкции турбины с осевым потоком, используемой в некоторых случаях.
Таким образом, чтобы удовлетворить потребность в высоких напряжениях, турбогенераторы, упомянутые выше в технологии гонок F1, нуждаются в дальнейшем совершенствовании в серийных автомобилях для преобразования выхлопных газов в электричество. В качестве альтернативы для привода электрической турбины можно использовать высоковольтные батареи, используемые в обычных гибридах. Более того, коэффициент энергопотребления, тепловыделение, долговечность и вес системы электродвигателя также являются потенциальными проблемами, если кто-то настаивает на достижении того же эффекта, что и обычная турбина, за счет электричества, особенно при высоких нагрузках.
Возможно, электрическая турбина в диапазоне низких оборотов в сочетании с переключением на обычную турбину в диапазоне высоких оборотов — неплохой способ пойти в обе стороны, поскольку Volvo и Audi, например, движутся в этом направлении. Но есть также такие компании, как Subaru, которые придерживаются ^технически^ более радикального подхода, используя электрические турбины, работающие в полном диапазоне оборотов, чтобы полностью заменить обычные турбины.
Но, сделав шаг назад, даже если мы преодолеем различные технические проблемы, необходимость внедрения электрических турбин все еще обсуждается всеми сторонами. Это связано с тем, что, по сути, электрические турбины требуют дополнительной мощности, что противоречит энергосберегающей цели обычных турбин, использующих выхлопные газы в качестве энергии. Поэтому поиск правильного баланса между энергоэффективностью и производительностью — это то, что необходимо будет изучить в будущем.
Из-за конструктивных ограничений обычные турбокомпрессоры имеют присущие им недостатки. После того, как мы разработали идеи для компенсации этих недостатков, применение этих новых технологий к транспортным средствам теперь также является серьезным испытанием аппаратных материалов. Например, вышеупомянутые материалы, способные выдерживать чрезвычайно высокие температуры, являются узким местом в разработке турбосистем для достижения более высокой тепловой эффективности.
Кроме того, по мере развития и развития технологий мы считаем, что технические проблемы, подобные упомянутым выше, вскоре будут решены. Однако, несмотря на то, что двигатели с турбонаддувом меньшего размера добились лучших результатов в тестах EPA, во многих дорожных испытаниях двигатели с малым турбонаддувом не достигают заявленных уровней расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува.
Тот факт, что результаты, которые теперь распознаются на тестовых приборах, часто не соответствуют реальным дорогам, показывает, что текущие средства проверки эффективности технологии еще не совершенны и далеки от полностью реалистичных условий вождения. Итак, следующий шаг — найти способ сопоставления различных ситуаций, чтобы результаты, полученные в лаборатории и на испытательном стенде, могли быть полностью достигнуты в реальности, иначе все будет просто упражнением на бумаге.
